阿尔茨海默病发病机制研究进展

唐丽娜　许小明　李艳红

(南昌大学医学院病理与法医学系，江西　南昌　330006)

阿尔茨海默病发病机制研究进展

唐丽娜许小明李艳红

(南昌大学医学院病理与法医学系，江西南昌330006)

〔关键词〕阿尔茨海默病；β淀粉样蛋白；tau蛋白

阿尔茨海默病(AD)是一种与年龄相关的中枢神经系统退行性变，临床表现主要为患者记忆力减退、认知功能障碍、语言障碍、丧失生活自理能力等神经行为异常。特征性病理改变为β淀粉样蛋白(Aβ)在脑内沉积形成的老年斑(SP)和tau蛋白高度磷酸化形成的纤维缠结及神经元细胞数目的减少等〔1〕。其发病机制曾出现过多种假说，但目前仍尚不明确，可能与蛋白异常、基因突变及其他多种因素的作用有关。本文就与AD发病相关的危险因素最新研究作一综述。

1Aβ的相关研究

自1992年以来，淀粉样蛋白级联假说在解释AD发病机制中发挥了重要作用。Aβ被认为是AD发病机制的关键因素。1930年，Divry发现SP的主要成分是淀粉样蛋白。1984年Glenner和Wong首次提出Aβ来源于Aβ前体(APP)。APP位于21号染色体上，是一种跨膜蛋白，存在于胞外区、胞内区及跨膜区，它在体内有两种裂解途径：一是先由α分泌酶水解Aβ序列的16～17位氨基酸之间的肽键，生成可溶性淀粉样前体蛋白(sAPP)α和C83，后者再经γ分泌酶作用生成可溶的小片段，称为非淀粉样肽源性途径，这是APP的主要裂解途径；二是在β分泌酶和γ分泌酶作用下，由β分泌酶水解APP，形成APPβ和C99，C99肽再经γ分泌酶切割成一系列长短不等的Aβ(39～43个氨基酸)，以Aβ40与Aβ42为主，其中Aβ42易形成纤维状淀粉样蛋白聚集体，被认为是SP的主要成分，这是淀粉样肽源性途径。Aβ不仅可由脑实质的神经元、胶质细胞等产生，还可由血管内皮细胞等多种细胞生成。脑实质内外的Aβ可以通过血脑屏障(BBB)进行交换。Aβ主动转运跨越BBB与多种蛋白受体有关。

1.1晚期糖基化终产物受体(RAGE)血液中可溶性Aβ通过血管内皮细胞上的RAGE进入脑实质。通过对血管内皮细胞上的RAGE V域序列缺失分析发现，RAGE的第3和第8两条β链参与Aβ肽的识别和转运，使血液中的Aβ跨越BBB进入脑实质，在大脑中沉积〔2〕。

RAGE是一种多元配合属于免疫球蛋白超家族的受体，通常在血管内皮细胞、胶质细胞和神经元表面表达，激活核转录因子(NF)-κB信号通路触发氧化应激(OS)和炎症反应。RAGE在AD患者脑组织内表达上调，且与疾病的严重程度及年龄相关，OS环境与炎症因子有可能上调RAGE的表达。Kook等〔3〕使用中和抗RAGE特异性抑制剂，钙调神经磷酸酶(CAN)和基质金属蛋白酶(MMP)，观察到通过细胞内钙离子(Ca2+)-CAN信号和MMP的分泌，经由RAGE介导Aβ诱导紧密连接(TJ)中断，从而证实Aβ-RAGE-CAN-MMP级联是BBB破坏和AD发病的重要机制，可作为AD治疗的一个好的靶点。Lee等〔4〕研究确定人工合成的RAGE拮抗剂化合物22N不仅可抑制Aβ通过BBB而且可阻断Aβ-RAGE结合以抑制Aβ相关的NF-κB的激活。

1.2低密度脂蛋白(LDL)受体(LRP)-1脑实质内的Aβ由LRP-1运输到血管内皮细胞上，再由三磷酸腺苷(ATP)结合盒转运蛋白(ABC)转运体从血管内皮细胞运输进入血液。

LRP-1是LDL受体家族的一员，在脑膜血管大量表达，特别是在血管平滑肌细胞中〔5〕。分为两种形式：细胞表面结合LRP-1和可溶性sLRP-1形式，前者参与Aβ在大脑和全身清除，后者是血浆中Aβ的主要转运蛋白，通过与周边Aβ结合保持Aβ的恒定从而抑制血浆游离Aβ再入脑〔6〕。

1.3ABC G超家族成员(ABCG)2ABCG2属于ABC蛋白家族的G亚家族，存在于肿瘤细胞和血管内皮细胞等多种细胞表面，是一种耐药相关蛋白，作为一种跨膜蛋白，能把许多药物排除在外。研究〔7〕表明，AD患者脑血管内皮细胞上ABCG2表达升高，而ABCG2基因敲除小鼠脑实质内Aβ明显增多。体外细胞培养发现，Aβ单独作用血管内皮细胞时，ABCG2表达无变化，当血管内皮细胞和小胶质细胞共培养时，表达升高，由此推断小胶质细胞分泌的细胞因子调节ABCG2表达〔7〕。ABCB1参与Aβ由脑实质流入血液，但其作用有限。Do等〔8〕通过对8～12周龄雄性小鼠使用原位脑灌注技术发现，GF120918(ABCB1和ABCG2的双重抑制剂)显著增强ABCB1缺陷小鼠大脑对〔3H〕Aβ1～40的摄取，但ABCD1/ABCG2缺陷小鼠的大脑不出现上述效果，提示ABCG2参与Aβ在小鼠BBB的运输。Xiong等〔9〕通过免疫组化发现，ABCG2缺陷小鼠大脑内积聚的Aβ比野生型小鼠显著增多。结果表明，ABCG2在转运Aβ跨越BBB中起着阻碍作用，以防止Aβ从血液进入大脑。

当Aβ通过BBB转运发生障碍时，进而影响到脑实质内Aβ产生和降解失衡，Aβ寡聚体形成、沉积，产生神经毒性，最终造成神经功能障碍和细胞死亡。此外，大量聚集的Aβ还可以通过激活星形胶质细胞或小胶质细胞释放炎症因子，如白细胞介素(IL)-1β、肿瘤坏死因子(TNF)-α、干扰素(IFN)-γ等触发神经损伤通路，引起神经毒性作用，从而导致AD的发生。

2tau蛋白的相关研究

神经原纤维缠结(NFT)的主要成分是高度磷酸化的tau蛋白。tau蛋白是一种微管相关蛋白，由位于17号染色体长臂上的tau基因编码，包含16个外显子，是自然折叠的蛋白质低分子量含磷糖蛋白，是构成神经元骨架的主要成分，分布在中枢神经系统内，主要生物学功能包括微管组装、轴突运输、轴突生长和微管稳定。正常生理条件下，tau蛋白激酶和蛋白磷酸酶的调节维持平衡，使tau蛋白磷酸化处于正常水平〔10〕。而AD患者脑神经细胞中每摩尔tau蛋白被6～8 mol磷酸磷酸化，高出正常情况3～4倍〔11〕。tau 蛋白高度磷酸化是由不同的蛋白激酶和磷酸酶的作用失衡引起细胞信号干扰所致〔12〕。主要的tau蛋白激酶包括糖原合酶激酶(GSK)-3β、周期素依赖性蛋白激酶(Cdk)5、环磷酸腺苷(cAMP)依赖性蛋白激酶(PKA)、酪蛋白激酶、钙/钙调蛋白依赖蛋白激酶(CaMK)-Ⅱ、应激活化蛋白激酶等。对AD的研究发现，GSK-3与Aβ和tau 有密切关系。GSK-3 是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于脯氨酸导向激酶，有两个亚型:GSK-3α和GSK-3β。前者参与调节Aβ肽的生成并对该肽做出反应，而后者参与tau 的磷酸化和NFTs 的形成〔13〕。在一些转基因模型发现，GSK-3过度表达与神经元死亡、tau蛋白磷酸化和认知表现下降有关〔14〕。此外，GSK-3 还可通过一种tau 依赖的途径来调节线粒体轴突转运过程〔15〕。

tau蛋白含有多个磷酸化位点，目前已经确定至少有45个，主要磷酸化丝氨酸和苏氨酸残基，如Ser199-202-Thr205和Ser396-404，与Ser199-202-Thr205相比，磷酸化在位点Ser396-404显著增加，tau蛋白在位点Ser396-404的磷酸化是AD发病时最早的变化之一〔16〕。

当tau蛋白发生高度磷酸化时，其与微管蛋白的结合只有正常tau 蛋白的1/10，抑制和破坏微管组装，使微管稳定性丧失，轴突变性，影响神经递质合成、运输、释放和摄取，造成神经细胞间物质运输障碍，从而导致神经纤维退化，功能丧失。Aβ异常沉积形成的SP和tau蛋白高度磷酸化形成的NFT是AD两大特征性病理损害。研究〔17〕表明，与tau蛋白磷酸化相关的腺苷酸激酶(AK)1在AD患者脑内表达显著增加，并能在初级神经元诱导Aβ42，而AK1降低时可缓解Aβ42诱导tau 蛋白过度磷酸化。Aβ42诱导的神经元损伤中有磷酸腺苷活化的蛋白激酶(AMPK)表达降低和GSK-3β的激活，AMPK抑制剂能激活GSK3β，GSK3β抑制剂衰减AK1介导的tau蛋白磷酸化，表明AK1的表达诱导Aβ42通过AMPK-GSK3β途径增加tau蛋白异常磷酸化，从而引起tau 蛋白介导的神经退行性变〔17〕。

3遗传因素与AD

多年来对AD发病机制的研究发现，遗传因素对早发性AD(EOAD)和晚发性AD(LOAD)的发生发展起决定性作用，APP、早衰素(PSEN)1和PSEN2三个基因的突变可导致早发性常染色体显性家族性AD，而载脂蛋白E基因(APOE)与迟发型AD高度相关〔18〕。APP、PSEN1、PSEN2基因分别定位于21、14、1号染色体，APOE基因座位于19号染色体。

近年来对APOE的研究较多，APOE是一种有299个氨基酸的糖蛋白，主要是由星形胶质细胞产生，在肝脏的表达最高，其次是脑，它有三种常见的等位基因：ε2、ε3和ε4，编码三个亚型APOEε2、APOEε3、APOEε4，其中APOEε3等位基因在人群中是最常见的，APOEε4与AD的风险增加相关，而APOEε2降低AD的风险〔19〕。APOE是一个重要的胆固醇载体，在大脑中的主要作用是保持神经元脂质供应的恒定和动态膜的合成，从而保证神经递质高效释放和动作电位传播〔20〕。

APOE可参与血管周围间隙(PVS)Aβ的清除，Aβ的清除率取决于APOE的脂化状态，高度脂化的APOE通过增加APOE与Aβ的亲和性及提高胰岛素降解酶(IDE)对Aβ的降解能力，从而有效清除脑内Aβ；低度脂化的APOE导致Aβ在AD脑内沉积〔21,22〕。Leoni等〔23〕收集AD患者脑脊液发现，患者脑内APOE、(24S)-羟基胆固醇(24OHC)和tau蛋白及过度磷酸化tau蛋白(P-tau)的水平显著增加，且存在明显相关性。APOE在神经元的过度表达增加tau蛋白磷酸化，而tau蛋白高度磷酸化引起的神经退行性变使得神经元中的胆固醇累积转换成24OHC，从神经元释放的24OHC诱导星形胶质细胞分泌APOE，两者都与神经退行性变的强度和神经元损伤有关。

另外，可导致AD的基因还有在17号染色体上的微管相关蛋白tau基因(MAPT)、定位于8号染色体的CLU基因、位于在19号染色体的线粒体外膜转移酶(TOMM)40基因等。

4环境因素与AD

AD因果关系是多方面的，除已知的偶然因素(遗传因素、年龄、性别)外，环境毒素，如空气污染也被牵连。AD是一种普遍的环境危害，污染颗粒物可由嗅觉上皮进入脑内，从而导致慢性OS，OS可促使Aβ与tau蛋白积聚，从而引起AD〔24〕。

毒理学研究动物和细胞模型的结果表明，暴露于高浓度的空气污染中，对嗅觉黏膜、嗅球、额叶皮层区域组织的所有损伤都类似于在AD大脑的观察〔25,26〕。而且，调查研究长期暴露于空气污染的人群发现，在其额叶皮层弥漫的Aβ斑块的存在和tau蛋白过度磷酸化形成NFT表明：高浓度的空气污染与OS、神经炎症、神经退行性疾病相关〔25〕。此外，由于空气污染使得神经元功能障碍先于Aβ肽斑块和NFT的形成，从而可加速Aβ42 的积累。暴露于空气污染可损害认知功能，导致脑血管损伤。

5其他因素

AD的发生可能与年龄、性别、心理社会因素、饮食及特殊嗜好、生活方式、职业性质、文化程度、婚姻状况、血管病变等因素有关。AD发病率随年龄增长而增加，特别是在65岁后发病率显著增高。女性患病率显著高于男性，受教育程度低、丧偶、从事体力劳动者、罹患脑血管疾病者易患AD。AD患者可伴发不同程度的睡眠障碍和(或)昼夜节律紊乱。脑组织内Aβ波动具有昼夜节律性，睡眠障碍可加速Aβ沉积，提示睡眠障碍可能通过某种机制导致AD。综上，AD的病因和发病机制不能用单一因素解释，它是多种因素相互作用的结果，共同促进神经元退行性变。只有更深入地探索不同致病因素间的联系，才能更深层次了解AD的病因和发病机制。

6参考文献

1Reitz C.Alzheimer's disease and the amyloid cascade hypothesis:a critical review〔J〕.Int J Alzheimers Dis,2012;2012:369808.

2Kim SJ,Ahn JW,Kim H,etal.Two β-strands of RAGE participate in the recognition and transport of amyloid-β peptide across the blood brain barrier 〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2013;439(2):252-7.

3Kook SY,Hong HS,Moon M,etal.Aβ1-42-RAGE interaction disrupts tight junctions of the blood-brain barrier via Ca2+-calcineurin signaling〔J〕.J Neurosci,2012;32(26):8845-54.

4Lee YS,Kim H,Kim YH,etal.Synthesis and structure-activity relationships of tri-substituted thiazoles as RAGE antagonists for the treatment of Alzheimer's disease 〔J〕.Bioorg Med Chem Lett,2012;22(24):7555-61.

5Kanekiyo T,Liu CC,Shinohara M,etal.LRP1 in brain vascular smooth muscle cells mediates local clearance of Alzheimer′s amyloid-β〔J〕.J Neurosci,2012;32(46):16458-65.

6Sagare AP,Deane R,Zlokovic BV.Low-density lipoprotein receptor-related protein 1:a physiological Aβ homeostatic mechanism with multiple therapeutic opportunities〔J〕.Pharmacol Ther,2012;136(1):94-105.

7Xiong H,Callaghan D,Jones A,etal.ABCG2 is upregulated in Alzheimer′s brain with cerebral amyloid angiopathy and may act as a gatekeeper at the blood-brain barrier for Abeta(1-40)peptides〔J〕.J Neurosci,2009;29(17):5463-75.

8Do TM,Noel-Hudson MS,Ribes S,etal.ABCG2-and ABCG4-mediated efflux of amyloid-β peptide 1-40 at the mouse blood-brain barrier〔J〕.J Alzheimers Dis,2012;30(1):155-66.

9Xiong H,Callaghan D,Jones A,etal.ABCG2 is up-regulated in Alzheimer's brain with cerebral amyloid angiopathy and may act as a gatekeeper at the blood-brain barrier for Aβ1-40 peptides〔J〕.J Neurosci,2009;29(17):5463-75.

10Gong CX,Iqbal K.Hyperphosphorylation of microtubule-associated protein tau:a promising therapeutic target for Alzheimer disease〔J〕.Curr Med Chem,2008;15(23):2321-8.

11De-Paula VJ,Radanovic M,Diniz BS,etal.Alzheimer's disease〔J〕.Subcell Biochem,2012;65:329-52.

12Medeiros R,Baglietto-Vargas D,La Ferla FM.The role of tau in Alzheimer's disease and related disorders〔J〕.CNS Neurosci Ther,2011;17(5):514-24.

13Sofola O，Kerr F，Rogers I，etal.Inhibition of GSK-3 ameliorates abeta pathology in an adult-onset drosophila model of Alzheimer's disease〔J〕.PLoS Genet,2010;6(9):e1001087．

14Avila J,Wandosell F,Hernández F.Role of glycogen synthase kinase-3 in Alzheimer's disease pathogenesis and glycogen synthase kinase-3 inhibitors 〔J〕.Expert Rev Neurother,2010;10(5):703-10.

15Llorens-Martin M,López-Doménech G,Soriano E,etal.GSK3beta is involved in the relief of mitochondria pausing in a tau-dependent manner〔J〕.PLoS One,2011;6(11):e27686．

16Mondragón-Rodríguez S,Perry G,Luna-Muoz J,etal.Phosphorylation of tau protein at sites Ser(396-404)is one of the earliest events in Alzheimer's disease and Down syndrome〔J〕.Neuropathol Appl Neurobiol,2014;40(2):121-35.

17Park H,Kam TI,Kim Y,etal.Neuropathogenic role of adenylate kinase-1 in Aβ-mediated tau phosphorylation via AMPK and GSK3〔J〕.Hum Mol Genet,2012;21(12):2725-37．

18Tanzi RE.The genetics of Alzheimer disease〔J〕.Cold Spring Harb Perspect Med,2012;2(10):283-8.

19Verghese PB,Castellano JM,Holtzman DM.Apolipoprotein E in Alzheimer's disease and other neurological disorders〔J〕.Lancet Neurol,2011;10(3):241-52.

20Bales KR.Brain lipid metabolism,apolipoprotein E and the pathophysiology of Alzheimer's disease〔J〕.Neuropharmacology,2010;59(4-5):295-302.

21Rolyan H,Feike AC,Upadhaya AR,etal.Amyloid-βprotein modulates the perivascular clearance of neuronal apolipoprotein E in mouse models of Alzheimer's disease 〔J〕.J Neural Transm,2011;118(5):699-712.

22Patil SP,Ballard R,Sanchez S,etal.ApoE:the link between Alzheimer's-related glucose hypometabolism and Aβ deposition〔J〕?Med Hypotheses,2012;78(4):494-6.

23Leoni V,Solomon A,Kivipelto M.Links between ApoE,brain cholesterol metabolism,tau and amyloid beta-peptide in patients with cognitive impairment 〔J〕.Biochem Soc Trans,2010;38(4):1021-5.

24Moulton PV,Yang W.Air pollution,oxidative stress,and Alzheimer's disease〔J〕.J Environ Public Health,2012;2012:472751.

25Calderón-Garcidueas L,Kavanaugh M,Block M,etal.Neuroinflammation,Alzheimer's disease-associated pathology,and down-regulation of the prion-related protein in air pollution exposed children and young adults〔J〕.J Alzheimers Dis,2011;28(1):93-107.

26Block ML,Calderón-Garcidueas L.Air pollution:mechanisms of neuroinflammation and CNS disease〔J〕.Trends Neurosci,2009;32(9):506-16.

〔2014-12-19修回〕

(编辑王一涵)

基金项目：江西省教育厅青年科学基金项目(GJJ11060)

通讯作者：许小明(1970-)，男，副教授，硕士生导师，主要从事神经病理、心血管病理研究。

〔中图分类号〕R74

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2016)10-2545-04；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.10.111

第一作者：唐丽娜(1988-)，女，在读硕士，主要从事神经病理研究。